Trabajo práctico:
Modelado Espacial
Verónica Barraza
Modelado Espacial
Objetivo: Identificación de áreas deforestadas a
partir de análisis espacial y temporal de imágenes satelitáles
Agenda:
Fundamentos de la teledetección
Teledetección es la técnica que permite obtener
información a distancia de objetos sin que exista un contacto
material.
Para que ello sea posible es necesario que, aunque sin contacto
material, exista algún tipo de interacción entre los objetos observados;
situados sobre e la superficie terrestre, marina o en la atmósfera; y un
sensor situado en una plataforma (satélite, avión, etc.).
En el caso la teledetección la interacción que se produce va a
ser un flujo de radiación que parte de los objetos y se dirige hacia el
sensor.
El sensoramiento remoto o teledetección es la práctica
científico-tecnológica que permite adquirir información de objetos o
sistemas sin estar en contacto físico directo con los
mismos
Fundamentos de la teledetección
Este flujo puede ser, en cuanto a su origen, de tres tipos:
Radiación solar reflejada por los objetos(luz visible e
infrarrojo reflejado)
Radiación terrestre emitida por los objetos (infrarrojo
térmico)
Radiación emitida por el sensor y reflejada por los objetos
(radar)
Las técnicas basadas en los dos primeros tipos se conocen como
teledetección pasiva y la última como teledetección activa.
Ventajas y Desventajas
Ventajas
- Produce valores medios de una determinada área
- Ofrece una amplia cobertura espacial y garantiza periodicidad
- Permite el análisis temporal en la dimensión horizontal
Desventajas
- La mayoría de la E interactúa superficialmente con el objetivo
- Dependiendo del sistema, la frecuencia de observación puede no ser
adecuada
- Radiación en el visible e IR no atraviesa las nubes
- Las mediciones pueden ser imprecisas
- Son necesarias mediciones in situ para validar los productos
Espectro electromagnetico
La radiación (solar reflejada, terrestre o emitida por el sensor y
reflejada) que llega de la superficie terrestre y que ha atravesado la
atmósfera, es almacenada en formato digital.
Una vez recuperados los datos en el centro de control del satélite,
permitirán obtener información acerca de la superficie terrestre y de la
atmósfera.
El tipo de información que se obtiene dependerá de la longitud de
onda en la que el sensor capte radiación.
Espectro electromagnetico
La REM de acuerdo a su longitud de onda, energía o frecuencia (se ha
dividido arbitrariamente en intervalos o bandas).
Cada material de la superficie terrestre (vegetación, rocas,
minerales, fauna, etc.), al estar compuesto por moléculas diversas y
tener así estructuras distintas, tendrá características
electromagnéticas diferentes, y pueden ser definidas, teóricamente, si
podemos medir esas diferencias (Soria y Matar, 2016).
Los electrones ocupan órbitas o capas discretas rodeando al
núcleo, en una cantidad para cada átomo que está determinada por la
carga eléctrica del núcleo, que a su vez se debe a la cantidad de
protones que contenga ese núcleo. Cuando un electrón va de una órbita
externa a una órbita interior emite un fotón.
La longitud de onda de este fotón está determinada por las
órbitas particulares entre las que el electrón efectúa la transición. De
esta forma, un espectro , que registra las longitudes de onda de los
fotones, revela qué elementos químicos conforman el objeto que se ha
captado.
Interacciones de la radiación electromagnética
Todos los objetos, con independencia de la radiación que emitan,
recibirán radiación emitida por otros cuerpos, principalmente del Sol.
En relación con el objeto sobre el que es emitida, esta radiación
puede:
- reflejarse (la radiación es reenviada al espacio);
- absorberse (la radiación incrementa la energía del objeto);
- transmitirse (la radiación se transmite hacia abajo a otros
objetos).
Interacciones de la radiación electromagnética
Radiancia y Reflectancia
Los datos que vienen almacenados en una imagen Landsat (o cualquier
otra imagen obtenida mediante un sensor óptico), son valores o niveles
digitales (ND). Dichos niveles digitales no representan de manera
directa ninguna variable biofísica y, por tanto, no es conveniente que
usted obtenga ningún índice espectral usando dichos valores “crudos”. La
razón para no hacerlo es muy simple: los llamados “índices espectrales”
fueron desarrollados para trabajar con valores de reflectancia espectral
de la superficie terrestre. Los niveles digitales no proporcionan dicha
información. Por lo tanto, hay que convertir dichos valores ND en
valores de reflectancia.
Este proceso se realiza en dos etapas:
1- Conversión de ND a Radiancia (esta etapa se conoce como
calibración radiométrica)
2- Conversión de Radiancia a Reflectancia Aparente (es decir, el
cálculo de la reflectancia en el sensor)
Si, adicionalmente, se remueven los efectos atmosféricos, es posible
convertir la reflectancia en el sensor en reflectancia en la superficie.
En tal caso, se habrá realizado un proceso completo de corrección
atmosférica.
Firma espectral o patrón espectral
- Es la forma peculiar de reflejar o emitir energía de un determinado
objeto o cubierta.
- Depende de las características físicas o químicas del objeto que
interaccionan con la energía electromagnética, y varía según las
longitudes de onda.
Tipos de resoluciones
ESPECTRAL: Se refiere al número de bandas y a la anchura
espectral de las bandas
ESPACIAL: Es la medida del objeto mas pequeño que puede ser
distinguido sobre una imagen
TEMPORAL: Se refiere a cada cuanto tiempo recoge el sensor una
imagen de un área en particular
Indices de vegetación
Los Índices de Vegetación son combinaciones de las bandas
espectrales, cuya función es realzar la cubierta vegetal en función de
su respuesta espectral y atenuar los detalles de otros componentes como
el suelo, la iluminación, etc.
Cada Índice de Vegetación tiene sus limitaciones. El NDVI es
sensible a los efectos del suelo y la atmósfera es, por ello, que se
recomienda aplicar índices adicionales para un análisis más preciso de
la vegetación.
NDVI
El más conocido es el Indice Normalizado de Vegetación (NDVI) :
El NDVI es un índice cuantitativo de verdor que va desde -1 a 1,
donde -1 representa un verdor mínimo o inexistente y 1 representa el
verdor máximo.
Este índice se utiliza a menudo para una medida aproximada de
salud, cobertura y fenología de la vegetación (etapa del ciclo de vida)
en grandes extensiones territoriales.
También es habitual su uso en agricultura de precisión para
estimar la salud de las plantaciones en determinadas parcelas
NDVI
- El cálculo del NDVI se realiza a partir del canal visible y el NIR
reflejado por la vegetación, cuya ecuación es:
\[NDVI= (NIR- RED) /(NIR
+RED)\]
¿ Cómo interpretamos los resultados?
La vegetación saludable (izquierda de la imagen) absorbe la mayor
parte de la luz visible, y refleja una gran cantidad de energía de
infrarrojo cercano.
La vegetación poco saludable o escasa (derecha de la imagen)
refleja una luz más visible y una luz menos infrarroja
Los valores negativos corresponden a áreas con superficies de
agua, estructuras artificiales, rocas, nubes, nieve; el suelo desnudo
generalmente cae dentro del rango de 0.1 a 0.2; y las plantas siempre
tendrán valores positivos entre 0.2 y 1.
El dosel de vegetación sano y denso debería estar por encima de
0.5, y la vegetación dispersa probablemente caerá dentro de 0.2 a 0.5.
Sin embargo, es solo una regla general y siempre debe tener en cuenta la
temporada, el tipo de planta y las peculiaridades regionales para saber
exactamente qué significan los valores de NDVI.
EVI (Índice de Vegetación Mejorado)
El Enhanced vegetation index (EVI) o Índice de Vegetación
Mejorado intenta expresar los efectos atmosféricos calculando la
diferencia de radiancia entre las bandas del Azul y Rojo y nos permite
monitorizar el estado de la vegetación en caso de altas densidades de
biomasa.
El proceso resulta ser similar al cálculo del NDVI salvo que, en
esta ocasión requerimos, además, la banda correspondiente al Azul del
espectro visible. La fórmula de cálculo es la siguiente:
Dónde: NIR= banda 5, R= banda 4, B= banda 2, L= 1, C1=6, C2=7.5
Satelites ópticos: LANDSAT
LANDSAT (LAND=tierra y SAT=satélite) fue el primer satélite enviado
por los Estados Unidos para el monitoreo de los recursos terrestres.
Inicialmente se le llamó ERTS-1 (Earth Resources Tecnology Satellite) y
posteriormente los restantes recibieron el nombre de LANDSAT.
Características de las imágenes Landsat
La misión Landsat ofrece diferentes imágenes satélite acotadas a
momentos temporales y bajo resoluciones de pixel diferente. Desde la
misión Landsat 1, hasta la actual Landsat 8, existe un repertorio
histórico de lo más variado. En función de la franja temporal de
análisis, dispones de las siguientes misiones Landsat:
- Landsat 1: Julio 1972-Enero 1978
- Landsat 2: Enero 1975-Febrero 1982
- Landsat 3: Marzo 1978-Marzo 1983
- Landsat 4: Julio 1982-Diciembre 1993
- Landsat 5: Enero 1984-Enero 2013
- Landsat 7: Enero 1999-Actualidad
- Landsat 8: Abril 2013-Actualidad
- Landsat 9: septiembre de 2021- Actualidad
Las misiones Landsat 7 y Landsat 8 son las actualmente vigentes para
la descarga diaria de imágenes. La adquisición de sus imágenes, o
resolución temporal, es de 16 días. Por tanto, dispondrás de una nueva
imagen satélite actualizada para la misma zona de trabajo cada dos
semanas aproximadamente.
Características de bandas
Las imágenes de Landsat 8 están formadas por 10 bandas de trabajo + 1
banda pancromática cuyas resoluciones se encuentran en 15, 30 y 100
metros. Aunque su máxima resolución se encuentra en 30 metros, la banda
pancromática permite equiparar todas las bandas a una resolución de 15
metros a través de la técnica pansharpening, una particular forma de
remuestrear sus bandas a un tamaño homogéneo de 15 metros más pequeños.
En caso de no emplear esta técnica de refinado pancromático, el juego de
bandas te obligará a trabajar con resoluciones de 30 metros para todas
sus bandas y 100 metros para las bandas térmicas (TIR)
Características de bandas
Aplicación de estudio:
La teledetección es una importante fuente de información para el
seguimiento de los cambios de la cubierta forestal, tanto en términos de
su sustitución total (deforestación), como para la determinación del
cambio de estructura, bienes y servicios de los ecosistemas forestales
que dan lugar al fenómeno de degradación.
Las observaciones satelitales brindan información coherente del
cambio en la cubierta forestal de manera continua y a escala regional,
lo que facilita la toma de decisiones al momento de planificar acciones
en el territorio.
Desde hace más de dos décadas, los sensores remotos brindan
información para el monitoreo del cambio de uso del suelo (Landsat,
MODIS, NOAHH-AVHRR, etc), habiendo en la actualidad largas series
temporales que permiten mejorar las metodologías tradicionales de
detección de cambios.
Por este motivo, en los siguientes videos vamos a realizar una
introduccion al análisis espacial y temporal de imágenes satelitáles en
áreas deforestadas.
¿Qué es la deforestación?
La deforestación es un fenómeno de reducción de la superficie
forestal.
La FAO define la deforestación como la
conversión de los bosques a otro tipo de uso de la tierra
(independientemente si es inducido por humanos o no).
La deforestación está causada por múltiples factores, tanto
naturales como humanos, y tiene consecuencias irreversibles en el medio
ambiente.
¿Qué es la deforestación?
La deforestación es un fenómeno mundial. Cada
año, millones de hectáreas de bosques desaparecen para convertirse en
plantaciones de palma aceitera, pastos para el ganado, cultivos de soja,
etc. El último medio siglo ha supuesto el mayor coste de deforestación
de la historia de la humanidad, arrasando un 15 por ciento de la
superficie mundial de vegetación, equivalente al territorio de España,
Portugal y Francia.
Tan solo en los últimos 13 años, la deforestación ha arrasado 43
millones de hectáreas en todo el mundo, acabando con bosques y selvas de
forma masiva y causando un inmenso daño a la calidad de los suelos. Los
bosques todavía cubren alrededor del 30 por ciento de las regiones del
mundo, pero franjas del tamaño de Panamá se pierden indefectiblemente
cada año. Son las cifras del último informe Frentes de deforestación;
causas y respuestas en un mundo cambiante de WWF, que analiza 24 lugares
que tienen una concentración significativa de puntos críticos de
deforestación y donde grandes áreas de bosque remanente están
amenazadas.
Ahora podemos hacer una visualización espacial, para comprender la
magnitud del área deforestada a nivel global.
## Warning: Ignoring 72 observations
